激光與三維圖像處理技術(shù)在機動車外廓尺寸動態(tài)測量中的應(yīng)用

蔣云清，廖小鵬

（1.蘇州獅山機動車綜合性能檢測有限公司，江蘇 蘇州 215124；2.合肥市強科達科技開發(fā)有限公司，合肥 230002）

機動車超限超載已成為嚴重影響人民生命財產(chǎn)安全、危及社會經(jīng)濟秩序穩(wěn)定的一個突出問題。據(jù)統(tǒng)計，70%的道路交通事故是由于車輛超限超載引發(fā)的，50%的群死群傷重特大道路交通事故與超限超載有直接關(guān)系。

目前，國內(nèi)各機動車檢測機構(gòu)在對車輛的外廓尺寸進行檢測時，基本上采用人工手持鋼卷尺測量方法；另外，各道路的超載超限檢測站對超長、超寬、超高的車輛也無法采用儀器進行檢測。由于人工測量的不準確性以及費時費力和不安全，迫切需要一種測量儀器對機動車的外廓尺寸（包括貨箱欄板高度）進行自動測量，以減少檢測人員工作強度和人為因素的影響。為此，我們專門研發(fā)一種機動車外廓尺寸動態(tài)自動測量裝置，可以方便地檢測低速行駛狀態(tài)下機動車的外廓尺寸，并與該車輛的外廓尺寸原始數(shù)據(jù)進行比對，從而加強對車輛的監(jiān)督管理。

1 開發(fā)背景及主要內(nèi)容

1.1 開發(fā)背景

1.1.1 測量方法

目前機動車外廓尺寸自動測量系統(tǒng)總體有以下兩種方法：

1）基于對射式光電開關(guān)和ccd（charge coupled divice）傳感器的測量方法。該方法采用對射式光電開關(guān)測量車輛長度和高度，用裝于車輛頂部的ccd成像測量車輛的寬度。

2）基于全ccd傳感器的測量方法[1]。該方法采用分立檢測車道兩側(cè)的ccd傳感器獲取車輛的高度，采用安裝于車輛頂部的ccd獲取車輛的長度和寬度。

1.1.2 測量中遇到的問題

比較以上兩種測量方法，發(fā)現(xiàn)如下幾個問題：

1）利用ccd傳感器測量車輛寬度誤差大。由于ccd傳感器放置于車輛頂部，對車輛寬度的測量須依靠車輛成像的大小[2-3]和車輛高度綜合判定。而汽車的最寬處往往不在車輛頂部，所以即使知道車輛的高度，也無法準確計算出車輛的寬度。

2）車輛測量范圍的限制。采用全ccd傳感器測量車輛外廓尺寸時[1]，由于ccd傳感器的光學系統(tǒng)對場地、環(huán)境、圖像算法有比較苛刻要求，特別是計算機圖像算法的缺陷，對幾何尺寸比較特殊的車輛，如車載起重機，不能百分之百測量出車輛的外廓尺寸。

3）無法模擬車輛的圖形。對于車輛后視鏡等附件的尺寸數(shù)據(jù)無法判斷和刪除，影響了車輛外廓尺寸數(shù)據(jù)的準確性。

1.2 技術(shù)方案的確定

為了解決以上問題，我們設(shè)計了一套自動快速、準確高效、能對影響車輛外廓尺寸的因素進行智能刪除的機動車外廓尺寸測量系統(tǒng)（見圖1）。

其技術(shù)方案如下：

1）采用紅外線光幕和一字紅外線對射式光電開關(guān)進行車輛長度的測量和車輛長度方向的定位。當車頭部分進入紅外線光幕區(qū)域后，軟件判斷一字紅外線定位開關(guān)狀態(tài)。紅外線光幕的第一個被擋光電開關(guān)到發(fā)生跳變的一字紅外線電開關(guān)的距離就是車輛長度。

2）采用分立車道兩側(cè)的測高紅外線對射式光幕掃描車輛高度，結(jié)合車輛的行走掃描，以獲取整車的高度數(shù)據(jù)幀。

3）采用安裝于龍門架上方和地面的紅外線對射式光幕掃描車輛寬度，結(jié)合車輛的行走掃描，以獲取整車的寬度數(shù)據(jù)幀。

4）采用安裝于龍門架上方的激光測距傳感器測量貨車欄板高度，結(jié)合高度光幕測量的欄板邊沿高度值，計算出欄板深度。見圖2。

5）采用計算機和軟件系統(tǒng)對以上采集到的數(shù)據(jù)進行處理，繪制車輛的模擬圖形。

6）對影響車輛外廓尺寸的后視鏡等因素進行智能刪除，并獲得最終測量數(shù)據(jù)。

7）對最終測量數(shù)據(jù)與達標車型出廠合格證數(shù)據(jù)進行比對和計算。

1.3 主要技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)

紅外線光幕由間隔1cm的數(shù)字測量紅外光電開關(guān)組成。左右兩側(cè)的紅外線發(fā)射接收對一一對應(yīng)。通過光電開關(guān)接收端的接收狀態(tài)，就可以判斷車頭的位置。采用紅外線光電開關(guān)的優(yōu)點：紅外光電開關(guān)的發(fā)射角度大，安裝校對方便，抗干擾能力強。為此，對軟件算法進行重新修改，得到以下結(jié)果：

1）一字紅外線對射式光電開關(guān)。一字紅外線對射式光電開關(guān)的發(fā)射端由一個60°角度的紅外線發(fā)射器組成，其安裝高度為0.2m。為避免相鄰紅外線定位開關(guān)組之間的干擾，在紅外線發(fā)射器前安裝有金屬擋條，以阻止紅外線光向兩側(cè)外溢。接收端由間隔2cm的紅外線接收器組成，總高度為2.2m。

2）由紅外線發(fā)射器和接收端最高位置的接收器和最低位置的接收器組成的三角面即為掃描面。掃描垂直間隔最大為2cm。由于車輛的對稱性，該三角形的掃描面一般能掃描到車輛的最后位置處，即車輛尾部最長點在該三角面內(nèi)的基本上都將被掃描到。

3）測高光幕。測高光幕由垂直安裝的間隔1cm的紅外線發(fā)射接收對組成，最低光幕點離地90cm，最高點離地426cm。測量時，紅外線光幕從上往下逐點掃描車輛最高點。掃描到第一個被擋住的點，即車輛在該橫截面上的最高高度。車輛從進入光幕開始掃描，到離開光幕區(qū)域掃描結(jié)束，這樣將得到完整的車輛從前到后所有橫截面上的最高高度值。

4）測寬光幕。測寬光幕分為左測寬和右測寬兩組光幕，每組光幕由安裝于龍門架上方的發(fā)射光幕和地面上的接收光幕組成。左右光幕長度均為112cm，光幕紅外線采集間隔1cm，左右光幕間隔100cm。測寬光幕的測量原理同測高光幕。通過掃描左右光幕的狀態(tài)測量車輛左右邊緣的寬度值。

5）激光測距測量欄板深度。激光測距傳感器安裝在龍門架上方中間，測量欄板貨車時，激光測距傳感器連續(xù)讀取車輛中心線附近的高度值，測得的車輛后半部的中心高度值即欄板底部的高度。對應(yīng)的測高光幕測得的高度值即欄板邊沿高度，通過軟件計算兩者之差以獲取欄板深度值。

6）后視鏡尺寸消除的原理及采用的技術(shù)。為了盡量減少后視鏡視角的盲區(qū)，幾乎所有車型左右后視鏡的安裝都會超出車身最寬點。為此，我們對測量的寬度數(shù)據(jù)要進行后視鏡尺寸剔除[4]。研究各種車型的后視鏡發(fā)現(xiàn)，部分大客車的后視鏡因為前伸而變長，長度一般不超過1m；其他車型車輛的后視鏡的厚度一般不超過30cm。為此，分車型對后視鏡區(qū)域進行處理：第一步找到檢測數(shù)據(jù)左右最大點，即后視鏡最突出的部位。如果該點位于車輛最前部而檢測車輛的車型為大客車，沿該點向后剔除1m，否則沿該點前、后各剔除20cm（即40cm），剔除后的剩下部分即為真實車身的寬度數(shù)據(jù)[5]。

1.4 測量精度與誤差控制

1）長度測量精度。長度測量精度取決于以下幾個因素：

①測長光幕點的間距。這是影響測長精度的最主要因素。測量系統(tǒng)的光幕點間距為1cm。

②電路板的制作和安裝誤差。這兩個誤差要求共控制在5mm以內(nèi)。

③車輛行駛速度和光幕點采集周期。光幕點采集周期為1ms，當車輛以5km/h的速度行駛，1ms內(nèi)走過的距離為0.001×5×1000/3600=0.0014m=1.4mm。為保證長度測量的精度，實際測量過程中，要求車輛行駛速度不得大于5km/h[6]。

④分別記錄測長立柱（車尾部）和測長光幕（車頭）的跳變時間，計算其時間差。根據(jù)計算車輛行駛的平均速度，對測量車子長度結(jié)果進行修正，有效提高了長度的測量精度。

綜合以上條件，長度的測量精度為±（5mm+5mm+1.4mm），即±1.14cm。

寬度和高度的測量精度只取決于光幕點間距和電路板制作安裝誤差，測量精度為±（5mm+5mm），即±1cm。寬度和高度測量時，系統(tǒng)通過紅外線交叉照射的方式（第一組紅外線發(fā)射，第二組紅外線接收），對測量結(jié)果加以補償，以提高測量精度[7]。

2）車速對高度和寬度采集點的影響。寬、高光幕的采集周期為16ms，車速為5km/h時，寬、高每采集一幀時，車輛行駛了0.016×5×1000/3600=0.0222m，即每兩幀間隔長度為2.2cm。

2 使用效果

2.1 動態(tài)測量儀技術(shù)指標

外廊尺寸動態(tài)測量儀使用環(huán)境溫度：-25℃～+45℃；相對濕度：20%～85%；電源電壓：AC220V±10%；功率：250W；分辨率：±1mm；測量車體長度：3000～20000mm；測量車體寬度：1500～3200mm；測量車體高度：900～4500mm；測量貨車欄板高度：300～3500mm；測量精度：±15mm。

可以依據(jù)國家標準GB1589-2004[8]要求進行數(shù)據(jù)處理，方便地濾除示位燈、后視鏡等附件因素的影響。滿足國標GB/T 3730.3-92[9]、國家經(jīng)貿(mào)委文件（國經(jīng)貿(mào)產(chǎn)業(yè)[2002]768號）[10]第三條第（八）項第1款:車輛產(chǎn)品尺寸公差允許范圍±1%的要求，測量精度≤±20mm。

2.2 檢測工作效率得到提高

人工測量需要引車員1名和檢測員2名，使用鉛垂、卷尺、高度尺測量車輛的長度、寬度及高度。采用外廓尺寸動態(tài)測量儀后，只要各引車員將車輛慢速通過測量儀器，儀器自動測量數(shù)據(jù)的采樣就完成了，大大節(jié)省了人工成本。有關(guān)數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 人工測量和動態(tài)測量儀器效率比較

2.3 檢測準確性得到提高

人工測量方式的誤差由量具誤差、讀數(shù)誤差、測量操作誤差組成。其中讀數(shù)誤差、測量操作誤差均較難受控，而外廓尺寸動態(tài)測量儀僅存在儀器誤差。測量操作時，若車速高于5km/h，則無測試數(shù)據(jù)。因此，只需控制儀器的測量精確度，測量誤差相對可控，測量數(shù)據(jù)的準確性較高。

隨機抽取10輛檢測車輛的外廓測量數(shù)據(jù)，測量誤差情況見表2。

表2 外廓測量數(shù)據(jù)測量誤差情況

用同一輛車重復(fù)多次測量，數(shù)據(jù)見表3。

表3 重復(fù)多次測量數(shù)據(jù)比較

因為有的汽車制造與其公布的標準尺寸有較大的誤差，所以以上測量的最大誤差是與標準數(shù)據(jù)相比較。從以上數(shù)據(jù)可以看到，測量的最大誤差不超過1%，外廓尺寸動態(tài)測量儀測量誤差符合設(shè)計要求，能滿足檢測線對車輛外廓的快速測量。

綜合以上各點，外廓尺寸動態(tài)測量儀節(jié)省了人工，提高了檢測速度，測量數(shù)據(jù)可靠，是有其使用價值和推廣意義的。

2.4 社會效益

車輛外廓尺寸（包括貨箱欄板高度）檢測后，與該車輛原始外廓尺寸數(shù)據(jù)進行比對，便于對車輛的監(jiān)督管理。防止車輛擅自改裝，超載超限運輸。它在使用上具有安全、準確、方便、高效的顯著特點，可以有效維護道路交通秩序。該裝置的研發(fā)成功，對預(yù)防和減少交通事故具有重要意義。如果發(fā)現(xiàn)有私自改裝的車輛，移交道路運輸管理部門依法處理。

3 結(jié)束語

通過對大量車輛的測量，檢測結(jié)果滿足了檢測長度誤差小于±1%，寬度誤差小于±1%、高度誤差小于±1%、測量精度≤±15mm的技術(shù)要求。它在使用上具有安全、準確、方便、高效的顯著特點。該裝置的研發(fā)成功，對預(yù)防和減少交通事故具有重要意義。

[1]卞曉東，張為公，郭占軍.利用視覺伺服技術(shù)進行車輛尺寸測量的方法[J].汽車工程，2004，（3）:94-97.

[2]胡永舉.基于圖像的車輛外型尺寸識別技術(shù)[J].道路交通與安全，2007，（2）:35-37.

[3]林國余，張為公，卞曉東.基于立體視覺的車輛尺寸參數(shù)測量系統(tǒng)研究[J].輕型汽車技術(shù)，2005，（9）:16-19.

[4]孫志喜.車輛外廓尺寸自動測量與車牌識別系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津：南開大學，2005.

[5]GB18565-2001，營運車輛綜合性能要求和檢測方法[S].北京：中國標準出版社，2001.

[6]GB7258-2012，機動車運行安全技術(shù)條件[S].北京：中國標準出版社，2012.

[7]榮銳兵，嚴運兵，方園，等.基于激光測距的車輛行駛跑偏測量系統(tǒng)[J].公路與汽運，2012，（3）

[8]GB1589-2004，道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值[S].北京：中國標準出版社，2004.

[9]GB/T 3730.3-92，汽車和掛車的術(shù)語及其定義車輛尺寸[S].北京：中國標準出版社，1992.

[10]國經(jīng)貿(mào)產(chǎn)業(yè)[2002]768號.關(guān)于進一步加強車輛公告管理和注冊登記有關(guān)事項的通知[EB/OL].（2013-09-30）.http://wenku.baidu.com/view/102a3ac48bd63186bcebbcf5.html